Hi-C technology allows deciphering pathomechanisms in autosomal dominant adult-onset demyelinating leukodystrophy (ADLD)

Since the discovery of the 3D genome architecture and topologically associating domains (TADs), new pathomechanisms have been postulated behind structural variations (SVs). Indeed, regardless of gene dosage changes, SVs crossing one or more TAD boundaries have the potential to cause diseases by altering the spatial architecture of the genome and rewiring the regulatory context of the affected locus and could explain clinical variability among patients. Here, we exploited Hi-C analyses to decipher the role of 3D position effects in Autosomal Dominant adult-onset LeukoDystrophy (ADLD), a rare disease associated with duplications encompassing the LMNB1 gene or noncoding deletions at the LMNB1 locus. Interestingly, we report a strong phenotypic variability among LMNB1 duplication carriers (ranging from classical and atypical ADLD, to asymptomatic carriers), suggesting that a classic gene dosage mechanism is unlikely. Hi-C libraries were prepared using standard protocols, cross-linking 1 million fibroblasts from 3 ADLD patients. Hi-C data was visualized using Juicebox and analyzed by subtraction method against cell-specific controls. Using Hi-C, we demonstrated that SVs at the LMNB1 locus cause three different clinical phenotypes depending on the nature of the rearrangement (deletion or duplication), the crossing of a boundary/ies (intra-TAD duplications or inter-TAD duplications), and thus on the consequences on TAD structure and lastly on LMNB1 expression in the brain. By using Hi-C, we were able to definitively understand the genotype-phenotype correlation of SVs at the LMNB1 locus which ultimately contribute to better family counseling and patient care. Our data show that Hi-C is a powerful technology for detecting and interpretating SVs in a clinical setting, allowing the characterization of the rearrangements and the understanding of their functional outcomes. These findings highlight the potential value of Hi-C as a first-tier genetic test in the clinical practice, as gold standard techniques like array-CGH and MLPA would misclassify SVs at the LMNB1 locus.

La tecnologia Hi-C consente di decifrare i meccanismi patogenetici della leucodistrofia autosomica dominante dell’adulto (ADLD). La scoperta dell’architettura tridimensionale (3D) del genoma e dei “Topologically Associating Domains” (TADs) ha consentito di ipotizzare nuovi meccanismi patogenetici associati a varianti strutturali. Infatti, indipendentemente da variazioni del dosaggio genico, le varianti strutturali che attraversano uno o più TAD boundary hanno il potenziale di causare malattie alterando l’architettura 3D del genoma e il contesto regolatorio del locus interessato, spiegando in questo modo la variabilità clinica tra i pazienti. In questo lavoro, abbiamo sfruttato le analisi Hi-C per decifrare il ruolo degli effetti di posizione nella leucodistrofia autosomica dominante dell’adulto (ADLD), una malattia rara associata a duplicazioni che includono il gene LMNB1 o delezioni non codificanti nel locus LMNB1. I nostri risultati mostrano una forte variabilità fenotipica tra i portatori di una duplicazione del gene LMNB1 (dall'ADLD classico, passando all’ADLD atipico fino a soggetti completamente asintomatici), suggerendo l’improbabilità che si tratti di un classico meccanismo di dosaggio genico. Le librerie Hi-C sono state preparate utilizzando protocolli standard, effettuando il cross-linking su 1 milione di fibroblasti di 3 pazienti con ADLD. I dati Hi-C sono stati visualizzati utilizzando Juicebox e analizzati mediante metodo di sottrazione rispetto a controlli specifici. Utilizzando la tecnica Hi-C, abbiamo dimostrato che le varianti strutturali nel locus LMNB1 causano tre diversi fenotipi clinici a seconda della natura del riarrangiamento (delezione o duplicazione), dell'attraversamento di uno o più TAD boundary (intra -TAD o duplicazioni inter-TAD), e quindi delle conseguenze che questi riarrangiamenti hanno sulla struttura del TAD e infine sull'espressione della LMNB1 nel cervello. Utilizzando la tecnica Hi-C, siamo stati in grado di comprendere in modo definitivo la correlazione genotipo-fenotipo delle varianti strutturali nel locus LMNB1, fondamentale per una migliore consulenza familiare e cura del paziente. I nostri dati mostrano che Hi-C è una potente tecnologia per rilevare e interpretare le varianti strutturali in un contesto clinico, consentendo la caratterizzazione dei riarrangiamenti e la comprensione del loro effetto funzionale. Questi risultati evidenziano il potenziale della tecnologia Hi-C come test genetico di primo livello nella pratica clinica, apportando vantaggi rispetto alle tecniche gold standard, come array-CGH e MLPA, che non sono in grado di classificare correttamente le varianti strutturali nel locus LMNB1.